CN106449889B - 基于氧化镓/CuAlO2异质结日盲型紫外探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于氧化镓/CuAlO2异质结日盲型紫外探测器的制备方法。本发明是通过射频磁控溅射技术在石英(SiO2)衬底上沉积一层p‑CuAlO2薄膜，然后利用掩膜板并再次通过射频磁控溅射技术在p‑CuAlO2薄膜上沉积一层n‑Ga2O3薄膜，其面积是p‑CuAlO2薄膜面积的一半，最后利用射频磁控溅射技术在p‑CuAlO2和n‑Ga2O3薄膜上沉积一层Ti/Au薄膜作为电极使用。本发明的优点是：所制备的日盲型紫外探测器性能稳定，反应灵敏，暗电流小，具有广阔的应用范围；另外，该制备方法具有工艺可控性强，操作简单，普适性好，且重复测试具有可恢复性等特点，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外探测器，具体是指一种基于n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结日盲型紫外探测器的制备方法。
技术背景
随着紫外探测技术的发展，紫外探测器越来越受到人们的重视。目前市场上的火焰探测主要以红外探测为主，但由于自然界中的红外线比较多，比如人体红外辐射等影响，容易对探测器产生干扰，造成误报，以至于导致不必要的人力以及物力损失；但“日盲型”紫外探测器由于接收的信号是紫外波段的光，而自然界中紫外光又被大气层吸收，受到环境的干扰比较小。
n-Ga2O3是一种具有深紫外特性的半导体材料，200nm的n-Ga2O3薄膜在紫外光区域能达到80％以上的透过率，弥补了传统TCO材料在深紫外区域透过性低的缺点；而且因为比较宽的带隙，n-Ga2O3能够发出较短波长的光，在通过掺杂Mn、Cr、Er等稀土元素的情况下，还能够用来制作深紫外光电器件。目前，已商业化的半导体紫外火焰探测器大部分都不是基于“日盲型”探测，容易被太阳光所干扰，对弱信号的处理能力比较弱。而“日盲型”紫外火焰探测器能及时、准确地捕捉到火苗，以弥补红外火焰探测器的滞后性，防止火灾的发生。本发明设计的基于n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的日盲型紫外探测器具有良好的光电响应，稳定性好，反应灵敏，加工工艺重复性好，结构牢固等优点，具有很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高、稳定性好、响应时间短、探测能力强基于n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结日盲型紫外探测器的制备方法。
本发明的技术方案为：
一种基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器，由p-CuAlO2薄膜、n-Ga2O3薄膜、石英衬底以及Ti/Au薄膜电极组成；所述的n-Ga2O3薄膜厚度为400-500nm，p-CuAlO2薄膜厚度为500-600nm，所述的石英衬底作为制备p-CuAlO2薄膜的衬底，在p-CuAlO2薄膜表面沉积一层n-Ga2O3薄膜，所述的 n-Ga2O3薄膜面积为p-CuAlO2薄膜面积的一半，所述的Ti/Au薄膜电极位于n-Ga2O3薄膜和p-CuAlO2薄膜表面，形状为直径250微米的圆形，Ti/Au薄膜电极包括Ti薄膜电极和Au薄膜电极，Ti薄膜电极厚度为40-50nm，Au薄膜电极在Ti薄膜电极的上方，Au薄膜电极厚度为80-100nm。
本发明还公开了一种所述基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器的制备方法，该方法具有如下步骤：
1)石英衬底预处理：将石英衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗15min，并用氮气吹干；
2)放置靶材和衬底：把Ga2O3靶材及CuAlO2靶材放置在射频磁控溅射系统的靶台位置，将步骤1)处理后的石英衬底固定在样品托上，放进真空腔；
3)p-CuAlO2薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，加热石英衬底，通入氧气及氩气，调整真空腔内的压强，生长CuAlO2薄膜，待薄膜生长完毕，对所得CuAlO2薄膜进行异位退火；其中，CuAlO2靶材与石英衬底的距离设定为3厘米，抽真空后腔体压强为1.5×10-4Pa，通入氧气及氩气后腔体压强为1Pa，，且其中氩气比氧气比例为3:2，功率为120W，石英衬底的加热温度为700-800℃，p-CuAlO2薄膜的退火温度为900-1050℃，退火时间为5-6小时；
4)n-Ga2O3薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，在步骤3)中的p-CuAlO2薄膜上加上一层掩膜板，加热p-CuAlO2薄膜，通入氧气，调整真空腔内的压强，生长n-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，对所得n-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与石英衬底的距离设定为4厘米，抽真空后腔体压强为1×10-5Pa，通入氧气后腔体压强为1×10-2Pa，功率为70W，p-CuAlO2薄膜的加热温度为700-800℃，n-Ga2O3薄膜的退火温度为700-800℃，退火时间为4-5小时；
5)器件电极的制备：利用掩膜板通过射频磁控溅射技术在Ga2O3薄膜和CuAlO2薄膜上面沉积一层Ti/Au薄膜作为测量电极。
优选的，所述的步骤3)中，p-CuAlO2的退火温度为950℃，退火时间5小时，步骤4)中n-Ga2O3薄膜的退火温度为700℃，退火时间为4小时。
优选的，所述的步骤5)中，生长Ti/Au薄膜后，Ti/Au薄膜在氩气氛围下退火5分钟，退火温度为300℃。
对构建的一种基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器进行光电性能测试是将探针点在电极两端，电极之间加电压-5V-5V，测得紫外探测器的I-t特性曲线，通过控制紫外光(254nm)照射的开关发现器件具有良好的光电响应。
本发明的优点：
1、本发明方法所制备的紫外探测器，在日盲区254nm紫外光照射下具有优良的光电特性，整流比高；
2、本发明方法采用微纳米加工技术制备的紫外探测器具有工艺可控性强，操作简单，普适性好，且重复测试具有可恢复性等特点，具有很大的应用前景。
3、本发明方法所制备的紫外探测器性能稳定，反应灵敏，暗电流小，可应用于火灾报警、高压线电晕等探测。
附图说明
图1是本发明方法设计的基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器的示意图。
图2是用本发明方法制得的p-CuAlO2薄膜的X射线衍射(XRD)谱图。
图3是用本发明方法制得的n-Ga2O3薄膜的X射线衍射(XRD)谱图。
图4是用本发明方法测得基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器的电极电压为2V的V-I曲线图。
图5是用本发明方法测得基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器的电极电压为-5V的I-t曲线图。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
步骤如下：
1)石英衬底预处理：将石英衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗15min，并氮气吹干；
2)放置靶材和衬底：把Ga2O3靶材及CuAlO2靶材放置在射频磁控溅射系统的靶台位置，将步骤1)处理后的石英衬底固定在样品托上，放进真空腔；
3)p-CuAlO2薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，加热石英衬底，通入氧气及氩气，调整真空腔内的压强，生长CuAlO2薄膜，待薄膜生长完毕，对所 得CuAlO2薄膜进行异位退火；其中，CuAlO2靶材与石英衬底的距离设定为3厘米，抽真空后腔体压强为1.5×10-4Pa，通入氧气及氩气后腔体压强为1Pa，，且其中氩气比氧气比例为3:2，功率为120W，石英衬底的加热温度为750℃，p-CuAlO2薄膜的退火温度为950℃，退火时间为5小时；
4)n-Ga2O3薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，加热步骤3)中的p-CuAlO2薄膜，通入氧气，调整真空腔内的压强，在此之前，在p-CuAlO2薄膜上加上一层掩膜板。生长n-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，对所得n-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与石英衬底的距离设定为4厘米，抽真空后腔体压强为1×10-5Pa，通入氧气后腔体压强为1×10-2Pa，功率为70W，p-CuAlO2薄膜的加热温度为750℃，n-Ga2O3薄膜的退火温度为700℃，退火时间为4小时；
5)器件电极的制备：利用掩膜板并通过射频磁控溅射技术在Ga2O3薄膜和CuAlO2薄膜上面沉积一层Ti/Au薄膜作为测量电极。
将步骤3)和4)中所得薄膜分别在X射线衍射仪中扫描，结果如图2和3中XRD谱图所示。图2显示了p-CuAlO2(101)、(104)、(110)和(202)的特征晶面衍射峰，其中2θ在23度的宽峰为石英衬底的非晶峰。图3显示了n-Ga2O3的(-402)和(-603)特征晶面衍射峰，表明所得n-Ga2O3薄膜沿着(-201)晶面生长。
在基于n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的日盲型紫外探测器的电极两端施加电压进行光电性能测量，测量示意图如图1。当外加电压为2伏特并在254nm紫外光的照射下，发现紫外光响应电流明显增大，在黑暗条件下的V-I曲线显示了明显的整流效应，整流比达到450(如图4)。图5中的I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，表明探测器在日盲区254nm紫外光照射下具有高灵敏度。
实施例2
步骤(1)、(2)和(4)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，加热石英衬底，通入氧气及氩气，调整真空腔内的压强，生长CuAlO2薄膜，待薄膜生长完毕，对所得CuAlO2薄膜进行异位退火；其中，CuAlO2靶材与石英衬底的距离设定为3厘米，抽真空后腔体压强为1.5×10-4Pa，通入氧气及氩气后腔体压强为 1Pa，，且其中氩气比氧气比例为3:2，功率为120W，石英衬底的加热温度为750℃，p-CuAlO2薄膜的退火温度为950℃，退火时间为6小时；步骤(4)中先将腔体抽真空，加热步骤3)中的p-CuAlO2薄膜，通入氧气，调整真空腔内的压强，在此之前，在p-CuAlO2薄膜上加上一层掩膜板。生长n-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，对所得n-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与石英衬底的距离设定为4厘米，抽真空后腔体压强为1×10-5Pa，通入氧气后腔体压强为1×10-2Pa，功率为70W，p-CuAlO2薄膜的加热温度为750℃，n-Ga2O3薄膜的退火温度为700℃，退火时间为5小时；
所得n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在基于n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的日盲型紫外探测器的电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，表明探测器在日盲区254nm紫外光照射下具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
实施例3
步骤(1)、(2)和(5)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，加热石英衬底，通入氧气及氩气，调整真空腔内的压强，生长CuAlO2薄膜，待薄膜生长完毕，对所得CuAlO2薄膜进行异位退火；其中，CuAlO2靶材与石英衬底的距离设定为3厘米，抽真空后腔体压强为1.5×10-4Pa，通入氧气及氩气后腔体压强为1Pa，，且其中氩气比氧气比例为3:2，功率为120W，石英衬底的加热温度为750℃，p-CuAlO2薄膜的退火温度为1000℃，退火时间为5小时；步骤(4)中先将腔体抽真空，加热步骤3)中的p-CuAlO2薄膜，通入氧气，调整真空腔内的压强，在此之前，在p-CuAlO2薄膜上加上一层掩膜板。生长n-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，对所得n-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与石英衬底的距离设定为4厘米，抽真空后腔体压强为1×10-5Pa，通入氧气后腔体压强为1×10-2Pa，功率为70W，p-CuAlO2薄膜的加热温度为750℃，n-Ga2O3薄膜的退火温度为750℃，退火时间为4小时；
所得n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在基于n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的日盲型紫外探测器的电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压 下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，表明探测器在日盲区254nm紫外光照射下具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
实施例4
步骤(1)、(2)和(4)均与实施例1相同。步骤(3)中先将腔体抽真空，加热石英衬底，通入氧气及氩气，调整真空腔内的压强，生长CuAlO2薄膜，待薄膜生长完毕，对所得CuAlO2薄膜进行异位退火；其中，CuAlO2靶材与石英衬底的距离设定为3厘米，抽真空后腔体压强为1.5×10-4Pa，通入氧气及氩气后腔体压强为1Pa，，且其中氩气比氧气比例为3:2，功率为120W，石英衬底的加热温度为750℃，p-CuAlO2薄膜的退火温度为1000℃，退火时间为6小时；步骤(4)中先将腔体抽真空，加热步骤3)中的p-CuAlO2薄膜，通入氧气，调整真空腔内的压强，在此之前，在p-CuAlO2薄膜上加上一层掩膜板。生长n-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，对所得n-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与石英衬底的距离设定为4厘米，抽真空后腔体压强为1×10-5Pa，通入氧气后腔体压强为1×10-2Pa，功率为70W，p-CuAlO2薄膜的加热温度为750℃，n-Ga2O3薄膜的退火温度为750℃，退火时间为5小时；
所得n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的化学成分和结构均与实例1类似。在基于n-Ga2O3/p-CuAlO2异质结薄膜的日盲型紫外探测器的电极两端施加电压进行光电性能测量，V-I测量所施加最大电压为2伏特，I-t曲线是在-5伏特的电压下测量的，发现控制紫外灯开关，电流瞬时发生变化，表明探测器在日盲区254nm紫外光照射下具有高灵敏度。测试结果均与实施例1类似。
Claims (3)
1.一种基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器的制备方法，所述基于n-Ga2O3/p-CuAlO2薄膜的日盲型紫外探测器，由p-CuAlO2薄膜、n-Ga2O3薄膜、石英衬底以及Ti/Au薄膜电极组成；所述的n-Ga2O3薄膜厚度为400-500nm，p-CuAlO2薄膜厚度为500-600nm，所述的石英衬底作为制备p-CuAlO2薄膜的衬底，在p-CuAlO2薄膜表面沉积一层n-Ga2O3薄膜，所述的n-Ga2O3薄膜面积为p-CuAlO2薄膜面积的一半，所述的Ti/Au薄膜电极位于n-Ga2O3薄膜和p-CuAlO2薄膜表面，形状为直径250微米的圆形，Ti/Au薄膜电极包括Ti薄膜电极和Au薄膜电极，Ti薄膜电极厚度为40-50 nm，Au薄膜电极在Ti薄膜电极的上方，Au薄膜电极厚度为80-100 nm；其特征在于该方法具有如下步骤：
1）石英衬底预处理：将石英衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗15min，并用氮气吹干；
2）放置靶材和衬底：把Ga2O3靶材及CuAlO2靶材放置在射频磁控溅射系统的靶台位置，将步骤1）处理后的石英衬底固定在样品托上，放进真空腔；
3）p-CuAlO2薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，加热石英衬底，通入氧气及氩气，调整真空腔内的压强，生长CuAlO2薄膜，待薄膜生长完毕，对所得p-CuAlO2薄膜进行退火；其中，CuAlO2靶材与石英衬底的距离设定为3厘米，抽真空后腔体压强为1.5×10−4 Pa，通入氧气及氩气后腔体压强为1Pa，且其中氩气比氧气比例为3:2，功率为120W，石英衬底的加热温度为700-800 °C，p-CuAlO2薄膜的退火温度为900-1050 °C，退火时间为5-6小时；
4）n-Ga2O3薄膜沉积过程：先将腔体抽真空，在步骤3）所得的p-CuAlO2薄膜上加上一层掩膜板，遮挡一半面积的p-CuAlO2薄膜，加热p-CuAlO2薄膜，现在通入氧气，调整真空腔内的压强，生长n-Ga2O3薄膜，待薄膜生长完毕，对所得n-Ga2O3薄膜进行原位退火；其中，Ga2O3靶材与石英衬底的距离设定为4厘米，抽真空后腔体压强为1×10−5Pa，通入氧气后腔体压强为1×10−2 Pa，功率为70W，p-CuAlO2薄膜的加热温度为700-800 °C，n-Ga2O3薄膜的退火温度为700-800 °C，退火时间为4-5小时；
5）器件电极的制备：利用掩膜板并通过射频磁控溅射技术在n-Ga2O3薄膜和p-CuAlO2薄膜上面沉积一层Ti/Au薄膜作为测量电极，Au薄膜在Ti薄膜的上方。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤3）中，p-CuAlO2
的退火温度为950 °C，退火时间5小时，步骤4）中n-Ga2O3薄膜的退火温度为700°C，退火时间为4小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤5）中，生长Ti/Au薄膜后，Ti/Au薄膜在氩气氛围下退火5分钟，退火温度为300 °C。
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